Alto, magro e agile, dall'atteggiamento sempre molto rilassato, sullo schermo Coburn si presentò spesso con uno sguardo minaccioso che gli permise di connotarsi come interprete di ruoli da duro, anche se, nella sua carriera, non disdegnò di recitare in alcune commedie di carattere brillante. È conosciuto anche per aver interpretato la figura dell'agente Flint, antagonista statunitense del più popolare agente segreto britannico James Bond. Dopo aver seguito corsi di recitazione alla University of Southern California ed aver frequentato in seguito la scuola drammatica a New York, Coburn fece il suo debutto come attore teatrale. Tra il 1955 e il 1959 apparve anche in televisione, recitando in alcuni episodi di note serie televisive, quali Perry Mason e Bonanza. Nel 1959 debuttò sul grande schermo quale co-protagonista nel western L'albero della vendetta, mentre l'anno successivo ottenne un importante ruolo nel film I magnifici sette (1960), distinguendosi per il suo fisico asciutto e agile e per l'abilità del suo personaggio nel lanciare il coltello. Con Steve McQueen e Charles Bronson, co-interpreti dello stesso film, nel 1963 Coburn partecipò a La grande fuga, nei panni del prigioniero australiano Sedgewick. Nello stesso anno recitò anche nell'elegante commedia Sciarada. Coburn raggiunse l'apice della popolarità con l'interpretazione di alcuni film che ebbero come protagonista l'agente Flint, una sorta di alter ego americano dell'analogo - e più conosciuto - personaggio dell'agente segreto britannico James Bond, nato dalla penna di Ian Fleming. Tuttavia, tra le sue grandi interpretazioni, figurano, inoltre, altri film western, quali Giù la testa, Sierra Charriba, Pat Garrett e Billy the Kid, Una ragione per vivere e una per morire  e La vecchia legge del West, seguiti da altri grandi film del cinema di guerra, come La croce di ferro, L'inferno è per gli eroi e La battaglia di Midway. Nel 1999, grazie alla sua interpretazione di Glen Whitehouse, vince un Oscar come miglior attore non protagonista in Affliction. James Coburn è deceduto  a causa di un arresto cardiaco: negli ultimi tempi si era defilato per l'aggravarsi dell'artrite reumatoide, di cui soffriva dal 1979. Aveva 74 anni. Una volta cremato, le sue ceneri sono state interrate nel Westwood Village Memorial Park Cemetery a Los Angeles.